几种家用分离式太阳能热水系统的过热保护形式

山东格瑞德集团有限公司 ■ 梁宏伟孔德林 刘丽丽 马雪坤

几种家用分离式太阳能热水系统的过热保护形式

山东格瑞德集团有限公司 ■ 梁宏伟*孔德林 刘丽丽 马雪坤

根据欧标EN12976-1: 2006工厂预制的太阳能热水系统和部件中的一般要求，规定太阳能热水系统（闭式循环系统）要有过热保护措施。本文针对这一要求，给出了太阳能热水系统的过热保护方法并分析了各种方法的机理，探究国外的太阳能热水系统过热保护采取的一般措施。

太阳能热水系统；闭式循环；过热保护；滞流温度

0　引言

目前，太阳能热水系统已经得到广泛的推广，用太阳能制备热水是最经济和实惠的应用。但是由于太阳能能量的不均衡性，同时热水的应用也随着季节的变化用量也在变化，与太阳能能量的获取形成了反差。北半球，在夏季时太阳辐照强烈，但人们日常生活需求的热水有限，而冬季太阳辐照变低，人们反而需求更多的热量。在太阳能热水系统的实际设计中，通常要考虑冬夏的均衡性，尽可能地满足冬季大部分时间的应用，这样会导致夏季热水用不了，使储水箱中水温度过高，出现过热现象。在最炎热的夏季有些家庭会到外地旅游或度假，长时间不使用太阳能热水系统，或由于连续的集热升温，会造成集热系统过热而损坏系统的部件。这些问题尤其在欧洲地区比较严重，因为欧洲地区使用的几乎都是闭式的强制循环太阳能系统。没有过热保护措施，可能会造成人员的伤害或系统的崩溃。因此，EN12976-1:2006要求工厂预制的太阳能系统和部件必须有过热保护措施，其中包括两个方面：其一是饮用水使用的过热保护；其二是太阳能系统材料的过热保护。本文主要针对现有的一些国外家用分离式太阳能热水系统应用的几种太阳能系统过热的保护措施进行探讨和分析，为设计太阳能热水系统的过热保护措施提供参考。

1　系统冷却保护

这种过热保护方法是通过控制器的功能，判断储水箱中水的温度和集热器的温度，使系统的整体温度不出现超过局部过高温度而保护系统。通常的做法是：设定储水箱的初次上限温度，当水温达到这个上限值时，就会停止泵循环，使系统暂时停止，同时控制器会一直检测太阳能集热器的温度情况，如果达不到集热器的上限温度，且水箱中的水温没有下降条件下，系统会始终保持泵循环停止的状态，依靠集热器的自身散热维持吸热和散热的平衡。

如果集热器仍能继续升温，则设定储水箱的初次上限温度被打破，系统循环泵会重新启动。通过储水箱中的水来冷却集热器，在储水箱中水温未达到极限温度或设定不损坏系统部件的极限温度的条件，系统会重复该冷却循环，来保护系统的安全。如果集热器仍继续升温，储水箱中水温达到极限温度或达到设定的部件耐温极限温度的条件，则系统的循环泵会彻底停止循环，集热器处于滞流状态。此段时间集热器中的介质可能会汽化，从而将集热器中的传热介质压入系统的膨胀罐中，可防止传热介质由于高温而碳化变质。当集热器的温度下降后，蒸汽会冷凝体积回缩，使集热器出口的压力变小，膨胀罐中的传热介质会回流至集热器中。因此，计算系统膨胀罐时除系统所有传热介质的膨胀体积外还要加上集热器的容积。这样只是集热器部件局部高温，而不会影响到其他部件，当达到滞流温度的最大值时，集热器达到热容平衡。

这种方法是采取牺牲集热器保护系统的方法，同时如果集热器滞流的时间过长可能会造成传热介质的碳化沉淀或显酸性，因此要定期进行传热介质的酸碱度、冰点和碳化变质的检查。一般平板集热器由于滞流的最大温度不超过150 ℃，因此采用这种防过热的保护方法是极其经济和简单的。在欧洲，采用这种方法比较普遍，而且几十年的实践证明是非常可靠的。但是真空管集热器具有良好的保温性能，从而使集热器的滞流温度的最大值可达到180 ℃，系统中的传热介质可能会变质，因此，要求每年都要检查导热介质性能，防止变成酸性或碳化沉淀损坏系统。

2　再次冷却保护

在没有热水使用的情况下，系统会在晴好的天气下造成连续的滞流状态，这对系统的寿命会造成不可预测的影响，尤其对传热介质的破坏性极强。因此该种保护措施是通过夜间启动循环泵，利用集热器和管路散热，消耗储水箱中的热量达到降温的目的，从而降低第二天系统达到滞流状态的概率。一般把这种保护功能称之为“假日模式”，例如在夏天全家出去度假时，系统没有热水消耗，很容易使系统过热。

这个功能被激活后，系统的储水箱达到最大设定温度后，会继续升温，为防止集热器过热，循环泵会继续保持启动状态，直到储水箱达到极限温度，循环泵停止使系统处于滞流状态。当太阳辐照减少至日落，集热器开始向夜空散热，太阳能集热器逐渐冷却，温度低于储水箱的水温，通过循环把水箱冷却下来。当水箱冷却到最大温度设置时，循环泵停止。

为了更大限度地减少集热器过热，尤其是较长假期时，可把水箱的最大温度调低，从而使水箱在夜间可放出更多热量，白天储水箱就可吸收更多热量，这就起到冷却系统的作用。

3　热虹吸保护

该方法是提供传热介质过热保护相当直接的方法。该方法只用于在非常好的日照天气时，使系统断电无法工作，其防范方法是：可将太阳能集热器管路上的止回阀打开（即管路是完全畅通无阻的），热虹吸现象就会自然发生。由于传热介质在太阳能集热器中被加热，使传热介质在系统中缓慢循环。传热介质通过水箱盘管后被冷却。而到晚上时，只要集热器温度比水箱低，水箱中的热量就要通过集热器散失掉。这种方法比较适合于平板太阳能集热器。需注意的是，在正常使用系统时，一定要将集热器管路上的止回阀调回正常工作的方向，这样可防止夜间的水箱中的热量损失。

另一种方法是在集热器的上方加装散热装置，如图1所示。

图1　集热器限温装置

4　热量转移

上述3种方法提供高效的防止传热介质达到滞流温度的目的，但要依靠安装条件来实现，用水和地理条件不能提供保障性保护。因此更好的办法是将热量转移来防止过热。

附加储热水箱保存热量。当太阳能储热水箱被加热到设定温度时，控制激活三通电动阀，将多余热量转移到附加储热水箱中实现集热器的过热保护。如图2中采暖水箱在夏季将多余热量储存起来， 以达到保护集热器的作用。

图2　太阳能采暖系统

图3　泳池的辅助加热太阳能热水系统

泳池的辅助加热。如果家有泳池那么就可将过多的热量转移给泳池加热，如图3所示的太阳能系统。该系统在夏季达到预设的温度后会自动切换到泳池加热模式，从而把热量转移到泳池中，来避免集热器的过度高温。这种系统的设计主要应用在供热采暖的联合式系统中，为了满足采暖需求，在系统设计时，集热器器面积相对储热水箱的容积配比偏高，因此在非采暖期，只是洗浴等生活热水消耗不了集热器阵列所收集的热量，在系统中加入泳池的太阳能辅助加热，就可很好地解决夏季太阳能系统的过热问题。

集热器遮阳可防止太阳能光线照射在太阳能集热器上。如图4所示，带有遮阳结构的太阳能集热器采用不透光的遮阳帘子把集热器采光面罩住，防止集热器接收太阳能辐射，这是一个最简单又实用的防过热方案，但在实际实施中，一般是人工操作遮阳帘子的圈起和打开，很不方便；另一种实施措施是采用电机来自动控制遮阳帘子的工作，但是在系统没有电力供应时，遮阳帘子就无法动作，因而实现不了集热器的遮盖操作。需要注意的是风载问题，在多风或大风地区可能会造成集热器抗风载能力下降。图4a是遮阳帘子设置在玻璃盖板下面，图4b是遮阳帘子直接罩在集热器采光面上。

图4　带有遮阳结构的太阳能集热器

5　结论

1）系统冷却保护和再次冷却保护两种保护可以短期实现系统的过热保护效果，但不能根本解决系统的过热问题。

2）热虹吸保护的方法比较可取，根据温度开启对集热器进行散热，可及时保护集热器避免其处在高温下，但是要注意散热装置与集热器的面积配比问题，同时由于散热装置必须装在集热器上部，对产品的放水造成一定的影响，相对而言成本较高。

3）热量转移法是最好的太阳能利用方式，最大程度的利用太阳能，且实现了太阳能的综合利用，因此，在太阳能系统设计时应尽可能考虑太阳能的综合利用来避免太阳能集热器过热问题。

4）集热器遮阳的方案是最佳的解决方案，但需要考虑成本问题和遮阳装置的可靠性问题，同时要保证集热器的集热效率不受影响。

2013-05-30

梁宏伟（1979—），男，本科、高级工程师，主要从事太阳能热水系统研发、欧洲太阳能热水系统及联合采暖系统的研究。himin2007@live.cn